(整理)运用midas_Building进行超限分析基本流程指导书

运用midas Building进行超限分析基本流程

指 * 导 * 书

初稿：王明

校对：李法冰

审核：卫江华

审定：陈德良

（2012.12版）

目录

1 运用midas进行超限分析基本流程简介 (3)

2 反应谱分析、设计基本流程及要点 (4)

2.1 概述 (4)

2.2 基本流程 (4)

2.3 反应谱分析要点及注意事项 (5)

3 弹性时程分析基本流程及要点 (10)

3.1 概述 (10)

3.2 基本操作及要点 (10)

4 静力/动力弹塑性时程分析基本流程及要点 (15)

4.1 概述 (15)

4.2弹塑性分析基本流程 (16)

4.3静力弹塑性分析要点 (16)

4.4动力弹塑性分析要点 (20)

5 相关补充分析与计算 (21)

5.1 温差工况分析 (21)

5.2 楼板详细分析 (23)

5.3 转换结构分析 (24)

5.4 舒适度分析 (25)

5.5 工程量统计 (26)

6 主要附件一览表 (29)

7 主要参考文献 (30)

1 运用midas 进行超限分析基本流程简介

midas building/Gen 在超限分析流程中应用的主要环节可见如下示意图1.1。

图1.1 超限分析基本流程示意图

注：1.图中黄色框选内容为可运用midas Building/Gen 进行分析主要内容。

或大震

2 反应谱分析、设计基本流程及要点

2.1 概述

反应谱分析是抗震设计中最常用的分析方法，反应谱分析中需要定义设计反应谱、振型组合方法、地震作用方向等数据。设计规范一般考虑地震强度和远近的影响、建筑的重要性等综合因素提供了设计反应谱函数。

2.2 基本流程

图2.2.1 运用midas Building 进行反应谱分析基本流程图

注：

1. 实际工程中基本以PKPM 导入为主，已进行过的数十个分析显示：模型中构件与荷载能够完全准确导入，但所有参数需要重新定义，具体导入过程详见[附件一]。若导入ETABS 模型，出错较多，可尝试通过广厦或盈建科二次转换；

2. 若仅进行反应谱阶段分析，则无需进行设计（浪费时间）；

3. 本过程参数调整阶段基本流程见下图2.2.2。

图2.2.2 参数调整基本流程图

2.3 反应谱分析要点及注意事项 [1结构→标准层与楼层]

进行“设计”阶段时，需定义为“弹性板”；进行“楼板详细分析”时，依需要定义为弹性膜或弹性板（主要区别为是否考虑整体计算得出的板边界位移参与分析）。

[1结构→标准层与楼层→定义材料]

类似于通用有限元软件，可自主定义材料属性，程序默认为各材料的标准属性。

图2.3.1 材料属性定义

[1结构→标准层与楼层→地下室信息]

图2.3.2 地下室信息定义

去除GB 方可修改

按需定义容重

只能完全嵌固或完

全自由

如需要定义周侧土体对于结构抗侧抗度的影响，可在结构外围设置固定点，并拉以弹簧模拟边界条件，其刚度K值与PKPM地下室信息所填m的换算关系详见[附件二]。

[1结构→楼层材料]

若按需定义了各楼层材料等级并“自动生成”信息后，构件强度信息显示并未修改，则可以通过“构件信息列表”手动修改。

点取生成列表

图2.3.3 获取构件列表方式

[1结构→模型主控]

类似于通用有限元软件，各类构件网格划分可自主定义，尤其对于转换结构或错层结构，可细化转换梁或其上所抬剪力墙的网格尺寸。弹塑性分析时，需要考察更加明确的损伤情况，也需要在此进行细化（注意区别于墙元纤维划分）。

图2.3.4 网格尺寸定义

[1结构→模型主控→对墙洞口连梁的处理]

依据跨高比确定连梁的计算方式（杆单元或墙元）可自主定义，一般采用程序默认方式（可参考文献[12]）。

图2.3.5 强弱连梁跨高比界限定义

[2构架→楼梯板]

可实现考虑楼梯参与整体结构的分析，在三维视图中分别建立相应梯柱、梯梁并拉设楼梯斜板与休息平台，计算中梯梁与梯柱以杆单元计算，板类构件则以板单元计算（PKPM中梯板以宽扁梁进行计算，计算结果基本失真超筋）。

[3荷载→荷载控制]

荷载控制与Setwe参数设置基本一致，个别不同见下图。

设置升降温差即可

生成温度作用工

况，作为超高结构

补充分析。

图2.3.6 荷载控制参数设置

[2分析设计→控制信息→特征值分析]

特征值分析是分析结构固有振动特性的分析方法，是反应谱分析和振型分解时程分析的

必要前提。其中，兰佐斯法的计算速度快，适合大型工程；子空间迭代计算比较稳定，适合

各类工程文献[3]。

可定义质量参与系数，

程序自动选取振型数。

1 考虑竖向地震作用；

2 考察长悬挑竖向自振

频率时，选取Z方向。

图2.3.7 特征值分析参数设置

[2分析设计→控制信息→调整信息]

可以对结构整体或分类构件设置实配钢筋/计算配筋参数，主要影响：

1计算梁、板构件的挠度和裂缝宽度（文献[15]7.1节、7.2节）；

2对于9度设防结构及一级框架结构，用于地震作用下框架梁和连梁端部剪力基框架柱

端弯矩和剪力的调整系数的计算（文献[1]6.2节, 文献[2]6.2节）；

3弹塑性分析时，计算塑性铰特性值；

4后续含钢量统计。

图2.3.8 超配系数系数设置

3 弹性时程分析基本流程及要点

3.1 概述

《抗规》5.1.2-3[1]：特别不规则的建筑、甲类建筑和表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充分析，地震波选取内容（略）；

《抗规》5.1.2-5[1]：（内容略）

《高规》4.3.4-3[2]：7~9度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充分析（是对振型分解反应谱分析的补充）：

1） 甲类高层建筑结构；

2） 表4.3.4所列的乙、丙类高层建筑结构（高度超限均属此类）； 3） 不满足本规程第3.5.2~3.5.6条（竖向不规则）规定的高层建筑结构； 4） 本规程第10章规定的复杂高层建筑结构。

3.2 基本操作及要点

弹性时程分析基本流程见下图3.2.1。

图3.2.1 弹性时程分析基本流程图

注：1 详见第二章内容；

2 详见技术要点。

[要点1-地震波选取]

弹性时程分析作补充计算时，时程曲线的基本要求见下表3.2.1。此处“补充计算”指对“主要计算“的补充，着重是对底部剪力、楼层剪力和层间位移角的比较，当时程分析法的计算结果大于振型分解反应谱法时，相关部位的构件内力和配筋应进行相应调整（实际工程中可进行包络设计）[12]。

包络设计方法：目前，结构设计软件（Setwe 、midas Building

等）基本不具备弹性时程分析

的后续配筋设计功能，因此，当按时程分析法计算的结构底部剪力（三条计算结果的包络值或七条时程曲线计算结果的平均值）大于振型分解反应谱法的计算结果（但不大于120%）时，可将振型分解反应谱法计算乘以相应的放大系数（时程分析包络值/振型分解反应谱值），使两种方法的结构底部剪力大致相当，然后，取振型分解反应谱法的计算结果分析[12]。

表3.2.1时程曲线的基本要求（弹性时程分析）

规范中“统计意义上相符”指：多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型在周期点上相差不大于20%。

主要振型：周期最大的振型不一定是主振型，应检查其阵型的参与质量，采用弹性楼板模型计算值，应重新核查，避免由于局部振动造成振型数的不足[12]。

利用[荷载→地震波]可以非常方便选择较为适宜的地震波（即满足频谱特性、加速度峰值和持续时间）。

利用[结构→线弹性时程分析结果→检查地震荷载数据]可以非常方便进行设计谱与规

范谱的比较。

注：PKPM地震波格式转换成Etabs/midas Building地震波格式处理、地震波处理小工具详见[附件三]。

第一次达到0.1GPA

最后一次达到0.1GPA

PGA

图3.2.2 地震波选取一

注：PGA为地震波峰值加速度值，EPA为有效峰值加速度值，具体等效计算过程详见文献[10]、[17]。

PGA

代换所需加速度

图3.2.3 地震波选取二

图3.2.4 设计谱与规范谱对照图

图3.2.5 世贸项目所选设计波反应谱与规范谱吻合较好

生成对比数据，撰写报告非常方便

[要点2-弹性时程分析工况定义]

可按地震波步长倍数调整

各振型阻尼比

图3.2.4 弹性时程分析工况定义

分析方法中振型分解法和直接积分法的选取：振型分解法结果的精度受到振型数量的影响。振型分解法在大型结构的线弹性时程分析中非常高效实用，但是不适用于考虑材料非线性的动力弹塑性问题和包含消能减震装置的动力问题；直接积分法是将分析时间长度分割为多个微小的时间间隔，用数值积分方法解微小时间间隔的动力平衡方程的动力分析方法。直接积分法可以解刚度和阻尼的非线性问题，但是随着分析步骤的增加，分析时间会较长。

选择直接积分时，程序提供瑞利阻尼（结构的质量矩阵和刚度矩阵的线性组合）。而选择质量因子和刚度因子的阻尼时，可自行输入各振型的阻尼比[3]。

[要点3-结果查看]

计算结果主要考察底部剪力、楼层剪力和层间位移角，生成数据并与反应谱分析结果对比，下图为世贸项目6号楼反应谱分析与时程分析（X向层剪力对照图），吻合较好。

反应谱分析结果

时程分析平均值

4静力/动力弹塑性时程分析基本流程及要点

4.1概述

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）第3.11.4、5.1.13条应对各类超限高层进行弹塑性分析。

表4.1.1 规范中静力与动力弹塑性分析选取原则[2]

非线性动力分析方法可以认为是比较准确的的方法，但是分析时间较长，分析参数设置理论较多；静力分析方法虽然在反应结构动力特性方面有所不足，但是计算效率较高，操作简单，理论概念清晰。静力与动力弹塑性分析基本区别见下表4.1.2。

表4.1.2 静力与动力弹塑性分析基本区别

进行弹塑性分析的主要目的：

1 通过对结构、构件的承载能力和延性的判断进行性能设计(调整线弹性设计结果)；

2 通过小震、中震、大震分析结果的比较判断结构、构件的承载能力和延性；

3 通过弹塑性层间位移角验算结构大震下的位移是否满足规范要求；

4 通过出铰顺序判断“强柱弱梁”、通过铰类型判断“强剪弱弯”。

与大型通用有限元软件（Abaqus等）相比，midas Gen/Building省去了大量的建模工作量（三维几何模型的建立、钢筋的等效处理、接触关系的建立等），实配钢筋便于修改（绘图师模块），并且其后处理功能强大（文本数据齐全、图片界面友好等）。

4.2弹塑性分析基本流程

图4.2.1 弹性时程分析基本流程图

4.3静力弹塑性分析要点 4.3.1初始荷载施加

图4.3.1 静力弹塑性荷载施加

[说明1]：初始荷载为地震作用时（或前）结构所承受的有效荷载，一般取为1DL+0.5LL （中国规范中重力荷载代表值），FEMA （美国联邦应急委员会）-273取为1DL+0.25LL [9]。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）第3.11.4条-2

：复杂结构应进行施工模拟分析，

同施工阶段分析，多步骤分层加载1

挠曲二阶效应或小P-Delta 效应2

侧向力加载方式3

应以施工全过程完成后的内力作为初始状态。条文说明：对复杂结构进行施工模拟分析是十分必要的。弹塑性分析应以施工全过程完成后的静载内力为初始状态。当施工方案与施工模拟计算不同时，应重新调整响应计算。

[说明2]：《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）第5.5.1条-5:应考虑几何非线性的影响。条文说明：结构弹塑性变形往往比弹性变形大很多，考虑几何非线性进行计算是必要的，结果的可靠性也会因此有所提高。

图4.3.2 构架挠曲二阶效应示意图

[说明3]：侧向推覆力的施加方式在整个静力弹塑性分析过程中的不改变，因此，对于推覆力形式的选择至关重要，2012年之前，程序基本同CSI 程序（SAP200等）一般进行振型加载模式（基本以第一振型模式加载），对于以第一振型为主的结构，能够得到较为可靠的计算结果。目前，程序能够进行反应谱计算得到的层剪力模式进行侧向推覆力的施加，能够较为真实反应地震力分布情况。 推覆力示意图

(a) 振型加载模式

(b) 等速度加载模式

(c) 静力加载模式

图4.3.3 传统推覆力加载示意图

4.3.2分析参数控制

不考虑P-Delta 效

果的情况考虑P-Delta 效果

的情况

My =Vy -Px 弯矩图

变形前

变形后

一般以位移控制1

一般选择Level1就

能满足收敛要求2

一般以位移控制3

最大位移控制条件

各步骤迭代参数4

图4.3.4 分析参数设置

[说明1]：程序提供了荷载控制与位移控制。由结构内力-位移曲线知，结构进入极限承载能力（此时，即使不再增加外力，位移也会增加）后，只能通过位移增量进行分析，故一般采用位移控制。

[说明2]：Level1、Level2、Level3分别对应的最大总步骤数为50、100、200。

[说明3]：依据《建筑结构抗震设计规范》GB50011-2010表5.5.5可知规范控制的各类结构允许弹塑性层间位移角。但输入时应适当增大，一般采用程序默认值1/20，当分析过程中层间位移角超过输入值时，自动停止计算。

[说明4]：塑性铰的出现造成了单元刚度的变化，单元刚度的变化又引起了单元内力的变化，使得外力与内力之间产生了不平衡力（残余力），因为迭代不可能完全消除残余力，所以为了既满足计算结果的精确度又要保证计算效率，需要设置设定的收敛判别条件。有关各类收敛标准范数（位移、内力、能量）相关内容及公式详见文献[3]、[11] 、[17]。

4.3.2材料与构件属性定义

图4.3.5 分析模型设置

[说明1]：对于每一个自由度，定义一个用来给出屈服值和屈服后塑性变形的力—位移（弯矩—转角）曲线，一般采用FEMA ，其采用五个控制点将力—位移（弯矩—转角）曲线分为弹性段、强化段、卸载段、塑性端。详见文献[3]、[11] 、[17]。 [说明2] ：

图4.3.6 应变等级设定

使用绘图师生成的实配钢筋数据

塑性铰的力—位移曲线1

考虑计算柱屈服面时柱失稳情况

是对每个墙单元的分割，以计算剪力墙的轴向和弯曲变形，而剪力墙构件的网格划分在结构→模型控制。

应力—应变曲线，应变等级2

弹性状态 屈服点 屈服后状态 极限状态

4.4动力弹塑性分析要点

相关操作事宜详见反应谱分析荷载（地震波选取）及静力弹塑性分析参数设置要点。

注：程序暂不能生成型钢混凝土构件的塑性铰属性，可以同在midas Gen内生成后，手动输入。